Fysikere designer en nano-resonator med stærk ikke-lineær respons

Et internationalt forskerhold har fundet en måde at gøre frekvenskonvertering af lys på nanoskala 100 gange mere effektiv. Den nye metode er baseret på isolerede dielektriske nanopartikler, der understøtter såkaldte bundne tilstande i kontinuum. Sådanne tilstande opstår, når udstrålende felter i partiklen undertrykker hinanden, så den elektromagnetiske energi inde i partiklen kan fanges. Denne forudsigelse kan bruges til en ny generation af små frekvensomformningsenheder kaldet nanolasere. Undersøgelsen blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve den 19. juli, 2018.

Et af nøgleproblemerne ved ikke -lineær nanofotonik er frekvensomdannelsen af ​​elektromagnetisk stråling på nanoskalaen. Ved at ændre frekvensen, strålingen kan konverteres fra et spektralbånd til et andet:fra terahertz til infrarød, og fra infrarød til synlig. Denne transformation kan udføres effektivt af makroskopiske enheder, men det er en udfordring at opnå frekvenskonvertering på nanoskalaen.

Interaktionen mellem nanopartikler og lys er ganske speciel på grund af deres meget lille størrelse. Derfor, for at øge effektiviteten af ​​frekvensomdannelsen af ​​lys på nanoskalaen, det er nødvendigt at reducere energitab under de centrale processer, der forekommer i nanopartiklen:stråling, energiindeslutning, og ikke -lineær konvertering.

For at løse alle disse problemer, et internationalt team af fysikere fra ITMO University, Ikke -lineært fysikcenter ved Australian National University, og universitetet i Brescia i Italien foreslog at bruge nye nanoskala resonatorer. De er, i det væsentlige, skiveformede dielektriske nanopartikler med et højt brydningsindeks, der understøtter de såkaldte bundne tilstande i kontinuum. Sådanne tilstande kan skabes, når flere typer elektromagnetiske energisvingninger i partiklen gensidigt undertrykker hinanden. På denne måde, lysets energi kan "låses" inde i partiklen.

Matematisk, energien kan låses for evigt, forudsat at resonatorerne er absolut ideelle. I praksis, det er muligt at fange lys for en endelig, alligevel ganske lang tid, selv i en enkelt nanopartikel. Dette kræver et optimalt forhold mellem partikelformen, størrelse, og materiale.

"Selvom vi tidligere har beskrevet sådanne særlige dielektriske nanoresonatorer, vi har endnu ikke analyseret deres praktiske perspektiver. Nu, sammen med vores italienske kolleger dr. Luca Carletti og prof. Constantino De Angelis, vi beregnede, hvordan denne resonator genererer lyset med en dobbelt frekvens. Resultaterne viser, at denne struktur er med til at øge effektiviteten af ​​de ikke -lineære processer med to størrelsesordener. Imidlertid, det var ikke så let, da vi skulle finde den optimale måde at pumpe energien ind i resonatoren. Vi fandt ud af, at i vores tilfælde hændelsesbølgen skulle polariseres på en måde, så den svingede langs tangenten til cirklen. Dette falder sammen med strukturen af ​​det elektromagnetiske felt inde i partiklen, "siger Kirill Koshelev, medlem af International Metamaterial Laboratory ved ITMO University.

Som resultat, det lykkedes forskergruppen at opnå en rekordhøj effektivitet af frekvensdoblering af lys med dielektriske nanopartikler. Nu, i stedet for en 100. del af en procent, det er muligt at spare op til flere procent af lysenergien under konverteringen. Dette resultat baner vejen til eksperimentel påvisning af stråling, der omdannes af en nanopartikel, hvilket betyder, at den foreslåede metode kan bruges i praktiske anvendelser.

"Vi har foreslået et design af nanoskalaomformere af lys, der kan bruges til forskellige applikationer. F.eks. de kan bruges i nattesyn flade optiske enheder, der konverterer infrarød stråling til synligt lys. På samme tid, det dielektriske materiale, vi valgte, aluminium-gallium arsenid, har moden fabrikationsteknologi. Da materialet er bredt tilgængeligt, vi forventer, at vores idé og forudsigelser vil presse de videre fremskridt inden for ikke-lineær nanofotonik og metaoptik, "siger professor Yuri Kivshar, medformand for Institut for Nanofotonik og Metamaterialer fra ITMO-universitetet også fremtrædende professor ved Australian National University.